水泥混凝土配合比設計及強度試驗檢測

于慧龍

（中鐵二十二局集團市政工程有限公司，廣東廣州 510815）

原材料的類型、質量一致時，水泥混凝土質量會受到配合比影響，配合比缺乏可行性，易影響混合料質量，出現裂縫、結構受損等問題。強度是衡量水泥混凝土質量的關鍵指標，需要以科學的方法進行檢測，準確判斷水泥混凝土的強度，合理施工。水泥混凝土配合比的設計以及強度試驗檢測均是工程施工中的重點內容，應予以高度重視。

1 水泥混凝土配合比設計需要考慮的關鍵因素

1.1 砂率

砂率會影響混凝土中孔隙分布情況，砂率偏高或偏低均會影響水泥混凝土質量。砂率偏高時，水泥漿對拌和物的包裹效果較差，可能導致局部包裹不到位，影響混凝土的和易性，硬化后孔隙數量增加，難以滿足實際施工要求。砂率偏低時，水泥漿數量較多，細骨料數量偏少，易出現水泥漿難以有效包裹粗集料的情況，加大混凝土的振搗難度，存在局部振搗不密實問題。

1.2 水灰比

水灰比作為水泥混凝土設計中的重點指標，必須具有合理性。水灰比偏高時，水泥混凝土的粉料用量相對不足，多余的水分會大量聚積在空洞內。隨著時間的延長，在外部溫度等因素的作用下，水分開始蒸發，水泥混凝土內部存在較多空洞，影響整體的密實性和穩定性。水灰比偏低時，水泥混凝土偏黏稠，不利于順利澆筑、振搗，粉料用量偏多導致開裂概率增加。

1.3 強度

強度會對水泥混凝土的應用效果產生顯著影響，適度提高水泥混凝土強度，可以有效地規避突發荷載或其他因素引發的質量問題。應遵循適中原則提高強度，過度增加強度會加大材料投入量，影響工程的經濟效益。

2 公路路面水泥混凝土配合比設計要點

2.1 水灰比的確定

水灰比是決定水泥混凝土強度的重要因素。公路工程建設中，各路段的強度等級不同，材料質量、施工方法等方面存在差異，對水灰比的確定產生影響。需要遵循因地制宜的原則，結合路面質量要求、現場施工條件，確定合適的水灰比，保證水泥混凝土具有足夠的強度[1]。

2.2 水灰比與混凝土的彎拉強度

以《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011）為依據，組織水泥混凝土的相關設計工作，對混凝土的彎拉強度加以劃分，形成三個等級，即4.0、4.5、5.0 MPa。公路等級多樣，各自有對應的保證率系數。

保證率系數按樣本數與判別概率的參照如表1所示。

表1 保證率系數按樣本數與判別概率的參照

各級公路混凝土路面彎拉強度變異系數如表2所示。

表2 各級公路混凝土路面彎拉強度變異系數

以5.0 MPa的彎拉強度為例，其水灰比應超過0.40，必須滿足最低值大于0.38的要求。水灰比偏低、粉料的用量偏多時，難以充分發生水化反應，影響粉料、混凝土的質量，易產生裂縫，存在較為明顯的材料浪費、成本增加問題。根據《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011），將水灰比穩定為0.38～0.45、粗集料體積率為75%時較為合適。考慮多種類型的水灰比，分別確定水、粉料的用量。

各混凝土水灰比時水泥與水的用量計算如表3所示。

表3 各混凝土水灰比時水泥與水的用量計算

2.3 水灰比的確定方法

式中：Fc——28 d彎拉強度的均值（MPa）；fr——設計彎拉強度標準值（MPa），取5.0 MPa；Cv——彎拉強度的變異系數；S——彎拉強度試驗樣本的標準差（MPa）；T——保證率系數。

為了保證水泥混凝土的強度、耐久性，最終將水灰比確定為0.44。

2.4 砂率的設定

粗骨料的級配良好、粒徑較大、表面偏光滑時，孔隙率較小，相鄰骨料在接觸過程中產生的摩擦力微弱。在水泥混凝土的配合比設計中，可考慮較小的砂率。砂的內部有豐富的細顆粒，考慮保水性和黏聚性雙重要求，選擇較小的砂率。水泥漿的稠度高、水灰比小時，適宜采用較小的砂率。材料具有一定的流動性，在運輸過程中，車輛的顛簸作用可能導致水泥混凝土出現離析現象，影響正常施工，可以選擇較大的砂率，規避水泥混凝土離析問題。

2.5 水泥混凝土配合比的試配

取多種水泥混凝土的制備參數，組織試拌，對各組水泥混凝土的坍落度及其他性能指標展開測試，確定合適的水泥混凝土制備參數，得到優質的水泥混凝土。進行配合比試驗時，至少進行3組試驗[2]。

3 水泥混凝土的強度檢測依據

公路等級不同時，對水泥混凝土的質量要求有差異，需要進行針對性考慮。根據工程對水泥混凝土性能的要求，將參數變化劃分為三個檔次，即低、中、高三檔。水泥混凝土路面設計中，除了考慮車輛的有效荷載外，還需要密切關注溫度條件，觀察溫度改變對水泥混凝土質量的影響。

檢測混凝土軸載標準時，考慮100 kN雙輪柱作用對路面的壓力，考慮軸載作用次數，確保軸載標準具有合理性。公路施工現場的地基為軟土層時，組織沉降和穩定性試驗，以采集的試驗數據為參考，對水泥混凝土的澆筑速率、模板的預壓時間等一系列關鍵參數進行靈活調整，保證合理性。

現場的地基為石方層時，采用振動壓路機進行分層壓實處理，確保頂層的石基具有足夠的穩定性，組織混凝土澆筑施工。標高差的檢測與控制也較為關鍵。不同等級公路對混凝土強度的要求不同，高速公路與一級公路的混凝土強度應在0.8以上，其他公路（等級相對較低的公路）的混凝土強度應在0.6以上[3]。

4 抗折法在混凝土抗壓強度試驗檢測中的應用

4.1 儀器的配套

適配混凝土抗折儀，為了順利完成檢測，要求該裝置的檢測強度范圍為10～100 MPa，最大拔出率不低于10 kN，荷載表力值的分辨率為1 N。

4.2 試件的制備

圍繞多類試件展開試驗，制備的C10～C100的混凝土標準試件，予以自然養護，全程加強防護，避免風吹、雨淋或其他環境因素作用影響混凝土的自然成型。混凝土的實際齡期達到試驗齡期要求后，根據規范組織試驗。充分考慮高強度混凝土試件溫度變化規律，準確測定低強度區間數據，對高強度混凝土的性能形成更準確認識。

4.3 試驗流程及方法

（1）同一批次中，隨機選取3個抗折試件。

（2）選擇合適數量的試件后，將其中一個放置在抗折裝置的試件導管內，利用連接棒將試件的中央區域與壓力桿連接，將抗折試件插至孔內（選用的連接板帶插孔），靈活操作油泵手柄，對試件中間區域施加一個向上的力。

（3）逐步加大力，讀取峰值壓力，測定端口位置相互垂直方向的直徑，根據實測結果確定直徑的平均值，作為代表直徑，將數據代入抗折強度計算公式，確定抗折強度。

（4）按照前述流程重復操作，確定各試件的抗折強度。（5）對一組同批次的標準試件，展開抗壓試驗，在此過程中采集并記錄試件的混凝土抗壓強度代表值。

4.4 試驗效果的評價

按照流程有序推進試驗進程，根據試驗采集的數據以及計算結果對混凝土的抗壓強度進行客觀判斷。抗折法具有流程簡化的特點，可以有效規避外部因素對檢測結果準確性的影響。

5 結語

在交通事業日益發展的環境下，配套的公路工程施工技術的應用水平不斷提高，必須保證材料質量。水泥混凝土具有不可替代的地位，為了充分發揮此類材料的性能優勢，需要加強配合比設計，保證各類原材料的用量具有合理性。按照規范檢測水泥混凝土強度，如采用抗折法，保證水泥混凝土的質量，充分發揮其在工程建設中的應用優勢。